张敬争，苏辉

（1.中节能（合肥）可再生能源有限公司，安徽 合肥 231602；2.合肥德泰科通测控技术有限公司，安徽 合肥 231602）

0 引言

冷却塔类型多样，目前，自然通风式冷却塔应用最为普遍，在电力、空调等领域都广泛使用，其运行稳定，易于维护，空气通过逆流与水接触，将热量充分散发出去，达到降温目的，在这个过程中，由于冷空气升温后密度降低，形成上升气流，导致冷却塔底部气压降低，对周围产生吸力，推动上方空气排出，形成循环运转[1]。

自然通风式冷却塔对环境影响较小，但是却受环境影响很大，尤其是周围遮挡物导致的环境侧风，对冷却塔内部流场分布都有影响，这就很容易在塔内产生各种空气旋涡，导致空气流向复杂错乱，影响降温效率和冷却效能，如果一旦冷却塔运行出现异常，将会出现凝汽器真空恶化，汽轮机温度升高，导致低压缸受热膨胀，进而故障停机。因此在冷却塔建立之初，就要充分考虑各类因素，降低环境影响，但是在目前国内外冷却塔建立时，对未来考虑还不能做到十分精准的控制[2]。因此，许多冷却塔都面临着遮挡物带来的一系列经济损失问题，因此，研究并解决这些问题具有十分重要的现实意义。

1 冷却塔风阻和换热效果的研究现状

自上世纪初冷却塔出现并逐渐备受关注，在普及发展过程中，人们对冷却塔运行的各类影响因素进行了大量的研究，也掌握了许多科学的建设设计方法，特别是不少专家学者都研究了关于风阻以及换热对冷却塔运行效率的影响。赵振国通过模型试验，推导出进风口阻力计算公式，验证了在进塔风量方向，以及周围围墙等遮挡物对气流速度影响。但是模型试验环境为静态无风环境，相关参数与实际数据有较大出入。赵顺安推导出了在双系统下冷却塔的吸力和换热效能。Sarker通过实验测量了在不同的进风、湿度、温度时冷却塔热力性能，得出冷却塔的换热效率与空气压力降低正相关关系[3]。

在计算机技术的支持下，生态模拟成为了研究冷却塔换热效果的重要方法，有学者将其通过数字化模拟空管形态，注入等量气流体，模拟冷却塔工作过程，但是场景简陋，不能正确反映流场分布和温度变化。也有学者通过气水相互作用，采取公式求值，研究压降和热传递系数，并根据影响因子判断塔中心和塔外围温度差，得出冷却塔换热的主要形式是蒸发换热。

根据当前学术研究现状，可知大多专家学者仅仅针对进风对风阻和换热进行研究，没有对进风的影响因素，即周围遮挡物带来的进风变化进行研究。研究方法多是单纯的模拟环境，没有充分考虑环境因素。本文将从冷却塔上方遮挡物投影面积对冷却塔进风量影响分析，建立进风阻力模型，研究塔内换热机理，找到对冷却塔最重要的影响因素，并根据理论进行优化调整，提高冷却塔工作效能[4]。

2 冷却塔进风阻力研究

冷却塔在纯理论中，周围环境保持一致的情况下，其进风量应当是均匀分布，线性通风，但是环境复杂多变，尤其是周围遮挡物导致的环境侧风，将会使冷却塔通风量减少，进而降低冷却性能，对此需要进行一定的环境优化，加装一些防风措施，但是这些加装设备也会反过来影响冷却塔，因此，需要进行深入研究实验，才能得到进风阻力优化方案，并为这一领域提供有价值的参考资料。

2.1 实验准备

首先进行模型构建，根据冷却塔实际参数，按照比例构建模型，实现几何相似和动力相似。具体针对某300MW机组冷却塔，构建1:400模型塔，塔底直径为0.25m，进风口高度为0.025m，出风口直径为0.15m，总高度为0.33m。

其次对模型塔上方加装遮挡物，研究遮挡物面积、数量、角度、尺寸等对冷却塔通风量的影响，冷却塔采用机械马达风机进行抽风，模拟自然进风状态。遮挡物的布置也要充分考虑不同天气环境以及安装数量、角度、尺寸不同组合形式对进风气流的影响。

2.2 实验分析

通过模型反馈数据进行公式计算，结果显示，当冷却塔上方加装遮挡物后，通风量和进风阻力明显出现变化，并且不同遮挡物形状、数量、角度都对通风量存在影响，在无环境侧风情况下，冷却塔通风量最大，当环境侧风越来越大时，进风阻力越大，通风量逐渐降低，充分表明侧风对冷却塔工作的负面作用[5]。（1）遮挡物角度对风阻的影响，设遮挡物与水平线夹角为a，当a≥80°时冷却塔的通风量的值达到最高水平，随着夹角的不断缩小，冷却塔出风速率降低，进风量减小，当a趋近于0°时，塔的通风量最小，可以发现，a在80°及以上时，遮挡物对通风量影响保持较小波动，可以视为不变，当a小于80°时，随着a的减小，进风阻力也在变大，通风量减少。由此可见，遮挡物的角度对通风量有直接影响。（2）遮挡物尺寸对风阻的影响，通过不同尺寸，以及不同加装高度，可以发现，遮挡物尺寸大小和高度对进风阻力呈现线性关系，遮挡物尺寸长边处于塔外，则进风阻力最大，高度越接近出风口，则对通风量影响越大，进风阻力也越大。（3）遮挡物数量对风阻的影响，在模型中加装不同数量的遮挡物，冷却塔进风阻力随着数量的增多减小，并在加装一定数量遮挡物后，进风阻力不变，可见遮挡物数量对风阻影响存在上限。

2.3 冷却塔优化风阻分析

本次实验仅针对模型进行采集数据，根据实验可知，夹角、数量、尺寸都影响着进风阻力，另外遮挡物高度也对其有影响，在冷却塔建造时，应该避免上方遮挡物影响，或者尽量降低其影响，应该采用具有一定倾斜角度、高度适宜、大小适中且少数量的遮挡物。同时，此次实验仅对各个参数进行了单独分析处理，不考虑对角度、数量、高度、大小等复合因素影响。实验结果也只对风阻数据进行了分析，如果需要全面优化冷却塔性能，还需要对其换热效果进行研究。

3 冷却塔换热效果的影响分析

冷却塔换热效果与太阳辐射强度密切相关，根据实际考察冷却塔运行状态，发现，在太阳辐射强度一定时，通过换热器的空气流速与换热率有会随着环境温度的升高产生变化。自然通风式逆流冷却塔，在白天温度较高时，冷却效果会降低，此前有专家学者对换热器的布置方式以及侧风条件下冷却效果进行了研究，对比了风干式冷却塔、预冷式空冷塔和湿冷塔3种冷却塔的冷却性能。为了能够深入研究冷却塔上方遮挡物投影对换热效果的影响，下面通过模拟实验，对太阳辐射强度和环境温度对其换热性能的影响进行研究。

3.1 实验方案

建立与实际数据吻合的小比例模型，并将其进行网格化区分，按照功能不同，分为冷却塔塔身、换热器、上方遮挡物、循环水路等模块，其中遮挡物准备多个尺寸大小，在安装布置时对其投影面积进行依此递增布置。实验原理是冷却塔正常运转，水通过管道进入换热器中，外界流通空气与水产生作用，带走热量并将其散发出去，通过换热，降低冷却水温度，由于遮挡物的存在，导致太阳辐射强度变化，对内外气压差产生变化，气压差扩大为空气流通提供了驱动力，增加了空气流动，就强化了散热，提高了冷却效果。气压差缩小，则减低了空气流动，换热效果也就降低了。

3.2 实验过程

将不同面积的遮挡物分别放置在冷却塔的上方同一高度，外界环境也取白天晴朗天气，固定时间段12:00—14:00，这个时间段太阳辐射最强，遮挡物对其影响也较大，可以有效降低其他环境因素干扰。在实验过程中，重点观察换热器以及环境温度变化情况，在换热器上方、下方及中间分别布置热电偶。

3.3 实验结果

在忽视环境侧风等其他环境因素影响情况下，根据实验结果可知，不同环境温度下冷却塔空气温度增加趋势与太阳辐射关联，当遮挡物投影面积不变时，即太阳辐射强度不变时，由于环境温度升高，塔内外的空气温差和密度差变小，空气流动的驱动力降低，所以空气流速变低，结果就是换热器空气流速随着环境温度升高而降低，例如，当环境温度由15℃上升为30℃时，经公式计算，其空气流速由0.22m/s降低为0.18m/s。环境温度不变，遮挡物投影面积减少，即太阳辐射强度变大时，塔内空气温度越高，与外界空气的温度差和密度差越大，空气流动的驱动力越大，导致通过换热器的空气流速越大。例如，在环境温度等于25℃时，空气流速由S=0W时的0.16m/s升到S=1000W时的0.25m/s。

在不同遮挡物实验下，太阳辐射强度从无到有，换热效率呈现出抛物线状，根据实验数据显示，太阳辐射强度在13:00时达到峰值1200W/m2，换热效果也随着时间的变化先增大后减小，整体看，与太阳辐射强度变化趋势保持一致。

4 结语

本文详细研究了冷却塔上方遮挡物对风阻及换热效果的影响，并建立模型对具体数据进行详细分析，进行实验，探究遮挡物的角度、尺寸、数量、投影面积与风阻和换热效果的关系曲线，证实遮挡物与水平线夹角大于85度，距离冷却塔50厘米以上，投影面积8%以下，几乎无风阻。为更好的提高冷却塔运行效率提供了帮助和指导，未来，还将进行不同材料的遮挡物热态试验、冷态试验，进一步揭示其对于冷却塔产生作用的影响机理，为更好的建立冷却塔的奠定了理论基础。